（农业电气化与自动化专业论文）抗生素发酵过程智能控制系统的研究.pdf

江苏大擘高校教师在职攻读硕士学住论文 摘要 随着微生物发酵技术的发展，微生物发酵在国民经济中的地位越来越重要，人们在改 进发酵工艺和设备的同时，越来越注意发酵过程的监测和控制，但是由于发酵过程的复杂 性，发酵过程优化控制存在着不少难题。微生物发酵过程的自动控制问题得到人们的重视 与关注，针对其控制问题产生了大量的理论、方法和技术。然而，与其他工业过程相比较， 微生物发酵过程的控制还远朱成熟。本文以典型抗生素一青霉素的发酵过程为研究对象， 对发酵过程的动力学模型参数辨识及发酵系统进行了研究，旨在实现对发酵过程的实时优 化控制。具体研究如下： 根据青霉素发酵过程的自身特点，通过阅读消化大量国内外文献，建立一个合适的青 霉素发酵过程动力学模型，并结合实验数据，采用单纯形法和龙格一库塔法对该模型参数 进行了辨识。 通过对关键参数的检测方法和控制策略进行分析，提出合理的检测方法和控制策略。 温度控制是青霉素发酵参数控制的难点，采用以发酵罐温度为主参数，夹套中水温度为副 参数的串级控制来控制发酵温度，面临着对象的精确模型难以建立的困难；模糊控制是一 种模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法，实质 是一种非线性控制，既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。采用模糊控制具有 不依靠对象的模型，控制动态响应好、超调小和鲁棒性强等优点。通过分析不同的温度控 制方法，本文采用自适应模糊控制方案束控制发酵液温度，并通过实验进行了验证 最后，对微生物发酵系统的下位机硬件电路的设计、制版和调试，上位机触摸屏界面 设计以及上下微机的实时通讯设计 关键词：模糊自适应控制，优化控制，参数辨识，发酵过程，青霉素 抗生素发酵过程智能控制系统的研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f b i o c h e m i c a lf e r m e n t a t i o n , f e r m e n t a t i o np r o c e s sh a st a k e np a r ti na m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o no nt h em o n i t o ra n dt h ec o n t r o lo f t h e p r o c e s s ，w h i l ei m p r o v i n gt h et e c h n i c sa n dt h ee q u i p m e n t s b u tt h ec o m p l e x i t i e so f f e r m e n t a t i o n m a k et h eo p t i m i z a t i o nd i f f i c u l t a u t o m a t i o no f b i o c h e m i c a lf e r m e n t a t i o nh a sw o nt h ee y e so f p e o p l e ，a l s om a n y t h e o r i e sa n dm e t h o d sa n dt e c h n i q u e sh a v ec o m et ob e i n g h o w e v e r 。t h e c o n t r o lo f t l l ep r o c e s si sf a rm o r eu n f o r m e dt h a nt h a to f o t h e ri n d u s t r i a lp r o c e s s i nt h i st h e s i s w e r e s e a r c hi n t ot h ed y n a m i c sm o d e l s ，p a r a m e t e r sa n ds t a t ee s t i m a t i o n , f e r m e n t a t i o ns y s t e mo f p e n i c i l l i n o u rg o a li st ob u i l d i n gu pa r e a lt i m eo p t i m a lc o n t r o ls y s t e m ，t h ef o l l o w i n g sa r em a i n c o n t e n t so f t h i sp a p e r ： a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f p e n i c i l l i nf e r m e n t a t i o n ad y n a m i c sm o d e lo f p e n i c i l l i ni s s e tu pb a s e do nt h er e v i e wo f p r e v i o u sw o r ko nm o d e l i n g ，w i t ht h ee x p e r i m e n td a t a , w ee s t i m a t e t h ep a r a m e t e r so f t h em o d e lu s i n gs i m p l e xm e t h o da n dr u n g e - k u t t am e t h o d w ea n a l y z e dt h em e a s u r em e t h o d sa n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e so ft h ep a r a m e t e r s a n dw e p u tf o r w a r ds o m er e a s o n a b l em e a s u r em e t h o d sa n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s t e m p e r a t u r ec o n t r o i i sa p r o b l e mo f c o n t r o lf o rp e n i c i l l i nf e r m e n t a t i o nw h i c h i sd i 衔c u l tt oo v e r c o m e w ew i l lf a c e d w i t hd i f f i c u l t yo f b u i l d i n ga ne x a c tm o d e lo f t h eo b j e c ti f w ec o n t r o it h et e m p e r a t u r eb ym e a n s o fs e r i e sc o n t r o 【w i t ht h em a i np a r a m e t e ro ft h et e m p e r a t u r eo ft h er e a c t o ra n dt h es e c o n d a r y p a r a m e t e ro ft h et e m p e r a t u r eo ft h ew a t e ri nt h eo u t s i d ei a c k e t f u z z yc o n t r o l i san e wk i n do f c o m p u t e rc o n t r o lm e a s u r eb a s e do nm a t h e m a t i c so ff u z z ys e tt h e o r y ，f u z z yl a n g u a g ev a r i a b l e a n df u z z yl o g i c a lr e a s o n i n g a san o n l i n e a rc o n t r o lm e t h o d ，f u z z yc o n t r o lc a nb ep r o v i d e dw i t h b o t hs y s t e m a t i ct h e o r ya n dm a n yp r a c t i c a lb a c k g r o u n d s f u z z yc o n t r o ld e p e n d sl i t t l eo nt h e o b j e c tm o d e l ，w i t ht h ea d v a n t a g e so fg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，s m a l lo v e r s h o o ta n ds u p e r r o b u s t i nt h i s p a p e r a l la d a p t i v ef u z z yc o n t r o lp r o j e c t f o rc o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r eo f f e r m e n t a t i o nb r o t hi sd e s i g n e da f t e rc o m p a r i n gd i f f e r e n tk i n d so fc o n t r o lm e t h o d s a n dw e v a l i d a t e di tb ye x p e r i m e n t s f i n a l l y ，t h ea n t i b i o t i c sf e r m e n t a t i o ns y s t e mw h i c hi n c l u d e st h ed e s i g n ，p l a t em a k i n g ， a d j u s t m e n to f j u n i o rc o m p u t e rh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h ei n t e r f a c eo f t o u c hp a n e lo f s e n i o r c o m p u t e ra sw e l la st h er e a l - t i m ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nt h es e n i o rc o m p u t e ra n d t 1 1 ei u n l o r o n ei sc o m p l e t e k e yw o r d s ：f u z z ya d a p t i v ec o n t r o l ，o p t i m a lc o n t r o l ，p a r a m e t e re s t i m a t i o n ，f e r m e n t a t i o n ， p e n i c i l l i n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名：t = ，砖冬4 冯 导师签名： 签字日期：山矗，年月f 7 日 签字日期： 年 月 f j 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：海南省华南热带农业大学电话：0 8 9 8 - 2 3 3 0 0 2 9 6 通讯地址：海南省华南热带农业大学机电与信息工程学院邮编：5 7 1 7 3 1 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名：， 沥壮锌 日期：“年月l7 目 抗囊索炭酵适程智能控翻系统的研究 1 1 抗生素发酵工业发展历史 第一章绪论 发酵其蠢悠久历史，麸古代的胯肇食瑟至理代鲍微生纺技术秘鼹鲍均是发酵技术，如 今发酵工鼗融经成为生物王程( b i o t e e h n o l o g y ) 和垒纯工程疆i o e h e m i c a le n g i n e e r i n g ) 静基 础。在近几十年中，发酵工业高速发展并趋向旺盛时期，尤其是新的生化工程领域，例如 二次代谢产物的生产( 抗生索生产) ，通过微生物和细胞的培养来获得有机物质的转化( 如 类霞酵) ，王鼗污承、动锈废瘩戆生物鲶理疆及酶割黧、食瑟蛋爨、镯释添热雾l 筹懿生产， 发展尤为迅避，因此，髓籍微生物工程的发展，发酵工业越来越引起科技界、正业界和政 府部门的重视。生物工程的许多成果；需经过发酵转化为产品，因此对高效的发酵设备的 硪究及其在煞纯工业中豹驻震显褥越来邈重要。对予发酵生产过程靛参数溅量、优化操作 与控截，整掇离发酵设餐象产效率及产蕊品蔟豹关键嗣题。 发酵工、业是一个历史悠久的产业，人类在认识到微生物的存菇以前，就已无意识地应 用了微生物，例如白酒、葡萄糖、啤溉、威士忌等酿选工业，以及嚣油、醋、氨骛、面包 簿母、予翳貉、酸奶等食蒹发簿王鳖等。羁i 9 毽缌审跨，法嚣季萼擘家l p a s t e a r 蓦次要滤 了传统微生物工业与微生物的关系，詹柬，随着微生物学、生物化学及遗传学的发展，使 微生物反应过程的种类和规模不断扩大。并促进了其技术进步。发酵工业的发展过程【l j 如 表l 。l 掰示。 2 0 鳘览4 0 年代初，抗生素工建静起标志蓍笈簿工整进入了一个新输段。2 0 鎏纪5 0 年代中后期以来，有关微，主物反应动力学的研究已经成为生化工稔的一个重要分支生 物反应工程( b i o r e a e t i o ne n g i n e e r i n g ) 。1 9 7 3 年在法国举行了第一次“计算机成用于发酵 技术莺琢会蕈爻”霉蠢莰楚涎莰技寒磺突豹垦程薅，势显跌1 9 7 9 零起每繇三年举 子一次诤 算机在发酵过程中应用的傲界大会。西际自控联( i f a c ) 在1 9 8 2 年于赫尔辛基召开第一 届生物技术过程建模与控制讨论会，到1 9 8 5 年在n o o r d w i j - k e r h o u t 举行第一届学术会议。 在国杰，发簿工业生产技术摆对比较落艨，双手工操佟生产方式先生，生产效藏较低，砖 发酵过程的税理，模型傀和绕佬控翻研究相对较晚。1 9 8 7 年在上海华东证工学院举办了苕 届全国生化过程模型化与控制学术讨论会，并在1 9 8 9 年和1 9 9 5 年举办了第二爝和第三届 全国生化过程模型化与控制学术讨论会。在第二届全国生化过程模型化与控制学术讨论会 麓零，歪式浅立了孛鏊锻象魏学会生物菠寒过程撰黧诬与控澍学会，学会戆戒交要好建联 络了国内外从事这一学科领域的专家、教授和科技人员，加强了嗣际阈的联系。从而加速 推动了我国擞物技术工稷的发展“七溉”期间“发酵过程控制”被列为国家熏点科技攻 关项曩，并谯接下来的“八五”、“丸敷”秘“十五”继续趣大投入进行研究，双褥了不小 麓残续，魏；筷餐控甏、褥经元弼络等抗生素诗翼祝控制系统霉弼了骚究和完豢。大量豹 研究成果强肖力地指导了工程实际生产近些年来，抗生素的发酵水平已有很犬提高，但 是与国际水平相比还有很大的差距，所以在加强发酵工艺研究的湖时提高生产自动化水平 2 江苏走学高校教辨在职攻读硕士学位论文 是非常必要的。 表1 1 发酵工业发展阶段的过程 矮鬣中试 发展阶段 童耍产品容器过程控制培养方法 蒲种筛选 控制设备 枉 ， c a r l s b e r g 裳产能力这 健霜涵度安凌 酸建厂傻 第一蹬段 灏精，醋1 5 0 0 拜桶豹术计、比重诗和分批上没没有 粥鲢酵母 1 9 0 0 年前 培养物 制容器热交换器 哲 ( 1 8 9 6 ) ， 用优质醋 接种发酵 童产森酮一 丁醇能力达2 第二阶段 面包酵 x 1 0 l 的铁制 p h 电极用 分批和朴 实质实质 j 澎用纯培 1 9 0 0 母，甘油容器用于面 予离线控制，上没上没 柠檬酸和包酵母生产的料系统 养技术 1 9 4 0 年瀑艘控制搿有 瓣酮丁醇空气喷雾器 在夺型容器孛 痛璐机械揽徉 青霉素， 分批和补 链霉素。其 帆城通气容 可灭菌的 料一分批很 黎二阶段他抗生囊。 器，秃篷攮 p h 秘溶氧电 常用，连续 突变和 1 9 4 0 年至券箨嘉，嚣 | # 一一囊歪豹 投，嚣装诗冀 壤养谈 l 入 嚣嚣普遍 终选程彦 今蔟酸，核蕾 发酵罐 概化豹循环 鼓造和一些鬟甏意趸 罄常重要 酸，转化作控制 妫级代谢产 用。酶 物的循环控 制 薷嚣陵段 躅烃积别 歼发出压力 1 9 6 0 年至 的贮存穆 霉毳坯帮援杰唆使矮诤舞连续培养 嫠霞尊豢 生产整 a 生产单细 射容嚣班克驻辘连续控割牛培养基再 藏簧重要 静的遗传 胞蛋白质 气和熟交换f u 】锻环循环 工程技术 题 通常微 农第三阶 用基困 第五蹬段 爨扬不产在第二除段 段秘第四黢霹鞋是分 罄袁罄常 墨狴技术 1 9 7 9 年至 燕豹异囊蠢第嚣跨段舜 羧发襞起来 揽静辩一 鬃要重要 将辨潦基 a 纯台物，如发出来的发酵 的控制手段分批或连续 闲引入微 胰岛索，干 罐 和感应器 擞物 扰素 1 2 抗生紊发酵过程参数控制的研究现状和难点 早期斡发簿羼于天然发酵，没有浆用人为的参数控裁。2 0 世纪4 0 年 弋扔，抗生素工 韭飞速发疑傻发酵过程控籁进入一个崭凝的领域。2 0 毽纪6 0 年 弋，发酵过程撩翱| 基兹馈 控制和直接数字控制( d d c ) 来实现。1 9 6 5 年日本a j r t a m t o 第一次将计算机控制应用于发 酵生产，1 9 6 9 年g r a y s o n 也将计算机控制技术应用予次级代谢发酵过程二青缳素发酵 疆螽，在生纯发酵工鼗枣，夭餐程终巍嚣l 瑗我控皋l 嚣谂建模、辨浚、滤渡，爨纯等菠拳与 方法，力图宓现生化发酵过程的优亿但由于发酵过程本身的复杂性，从常规撩制到智能 控制，发酵控制的发展和控制技术同步发展。一些先进的控制方法和理论也逐步得到应用， 3 抗生素发酵过程智能控制系统的研究 如模糊控制理论，神经元网络、专家系统等等，当然，对发酵过程的控制还没有达到成熟 的程度。我国在这方面起步相对较晚，但在最近也取得了很大的发展。目前，抗生素发酵 过程控制的发展主要有以下几个方面 1 菌株的选育及发酵工艺的制定 依靠重组d n a 技术，通过诱导重组微生物，选育出优良菌株，这也是高性能发酵工 艺的基础。生化工作者在这方面做了大量研究【“j ，并取得了一定的成绩。为了完全发挥优 良菌株的潜力，必须定制出相应合适的发酵工艺，由于研究与生产的脱节。且前很多最优 工艺曲线还只是通过摇瓶试验得出的。 2 发酵过程动力学模型及参数辨识的研究 研究发酵过程数学模型是实现生化发酵过程优化操作和控制的关键，发酵模型可分为 两大类：非结构模型和结构模型。非结构模型建立在工程水平上，它把培养液中的各物质 作为“黑箱”，不考虑菌体代谢过程中内部结构和组分的变化。结构模型是通过菌体内部 物质的变化来研究菌体代谢规律，把生物相分成两到多个化学组分来进行描述，这类模型 建立在细胞水平上，考虑了代谢过程中酶活性的变化和营养成分的变化。由于微生物发酵 的复杂性，建立结构模型存在着很大的困难，目前大多数发酵过程的数学模型是基于 m o n o d 方程。近来也出现了一些新的建模方法，如统计建模、智能建模等技术。m e i j y w a n s y u 。7 l 采用基于饱和传递函数的b p 网络建立菌体生长模型；l f m z o r z e t t o 8 1 采用机理模型 和神经网络黑箱模型结合的灰箱模型建立了啤酒发酵过程模型，灰箱模型提高了模型的外 推能力；胡泽新等结合反应器物科平衡方程，提出特别适合微生物发酵过程的m o n o d 饱和 型和基质抑制型的神经网络组合模型。模型的参数辨识般在实际生产所得的数据基础 上，采用非线性估计的方法来估计。非线性系统估计方法很多，如梯度法、拟线性化法、 随机逼近法、非线性滤波单纯形搜索法、随机搜索法，松弛法。但是由丁：发酵过程的强非 线性、时变性，且实验数据的不精确性，参数辨识还存在着不少困难。 3 发酵过程环境变量优化控制 发酵过程中典型的环境变量包括温度、压力、p h 值、溶氧鼍、液位等，对于温度、压 力及液位的常规控制方法已比较成熟，但智能控制的发展还有待进一步的完善，溶氧浓度 和p h 值的控制还有进一步研究的空间。溶氧电极和p h 电极成本较高，且可靠性不商、寿 命不长，这也是溶氧浓度和p h 值的控制没有很好地在工业上应用的原因。 发酵按培养方式不同可分为三大类：分批发酵( b a t c hf e r m e n t a t i o n ) 、补料分批发酵( f e d - - b a t c hf e r m e n t a t i o n ) 和连续发酵( c o n t i n u o u sf e r m e n t a t i o n ) 。近年来，补料分批发酵是抗 生素发酵中最常采用的发酵方式，它既消除了分批发酵中底物抑制的缺点，也不像连续发 酵那样易于染菌。为使发酵过程中基质浓度保持最适水平，微生物能沿着优化轨迹生长， 以获得高产的微生物代谢产物，对补料速率进行控制显得非常关键。 4 各种生化参数的检测 为了解决检测的问题，研究人员从两方面努力：其一是研制各种生化参数传感器；其 。二是努力开发估计和推断技术，利用一些可以测得的变量信息去估计推断不可在线测量甚 4 江苏太学高校教师在职攻读硕士学伐论文 至缺乏襁应的检测方法的量，遮种方法称之为“软测量”技术 “软测量”技术其实就是估计器的设计，对蕻研究历经了从线性到非线性、静态到动 态、无校正功戆到有校藏功能的过程。按照估计器设计酌方法不硒大致可分为戳下几种： 基于线性模型的方法 1 0 - - 1 3 l 、基予非线性摸型的方法1 1 4 心1 、基于模式识别的方法 1 6 】旧、熬 予旗辍数学豹方法陶【潮、基于鲇n 鑫毫方法 2 0 2 3 。 对予生物传感器的研究从c l a r k 与l y o n s ( 1 9 6 2 ) 第次报道酶电极开始的。在酶电极 翡发展审骰遥缀多贡献豹辩学霖蓄箍美蓬薪类尔良大学( n e wo r l e a n su n i v e r s i t y ) 静 g u i l b a u l t g g 为茵的实验室，其次是日本东京工业大学的k a r u b e i ，a i z a w a m ，s u z u k i s 等等。爨然鏊内舞蟹 联熬龟掇鸯上吾静，餐多数还是楚在实验试弱除羧，嚣蠢誊袭奄嚣上霹 以买到的电极很少1 9 1 。 5 。 露发酵_ 蘧糕孛多交鬟嬖鬃掩锈赘磷究 ， 在实际的发酵过程中，各反应参数乏间的强耦合性给那些依据数学模型的控制方法带 来了缀大懿不爱，毽篷霹鞋裁蹋参数之阙戆稠关傣惑互穗反映。如果疑掌握这些参数之瓣 的变化规律，就能从可以测量到的参数，去间接反映出琊些与之关联性很强的，不能直接 测量参数的变像，这其蜜也赣达戮了斌接溅量黔爨款，只是德苓囊具体鳃数僮。瓣使不鼹 得出那媳不可测量的准确数值，但其变化的规律足够为取相应的控制黛略提供信息了。 这方蘑的研究成果国内以张嗣良1 2 4 】【2 5 i 等为代表。“八五”期阕该技术在华j 制药厂青霉袈 发酵中得到了逡用，提高了发酵单位3 0 以上。“九五”期问，又在西寂利君制药厂的筑 霉素发酵中运用了该方法，发酵水平提岗了6 0 以上，打破了我国红霉素发酵水平2 0 多 年停滞不前的鲻面，进入国际领先水平。 6 。人正智能控制、自适应控制、预测控隹4 等技术在发酵过程中的应用研究 困为发酵过程参数的时交毪、多样往、福含往和不确定性，采用传统的线值处理方法 显然是不合适的很多研究者尝试运用预测控制技术【2 “、自适成技术【3 i l l 3 2 】以及专家系统 1 3 3 寸赘、模糊控翻阑写神经网络l 9 - - 2 2 1 等久工管麓技术，以实聪j 童程静销纯控翩，已经取 得了不小的成绩，这也怒今后青霉素发酵控制的主要研究方向 自予发酵j 童程 零复杂，x 孪发酵i 妻程参鼗静控翻存在洚多蘧赢，主鬟涉及潋下三令方 1 2 1 1 3 】： 繁一、绥熬生长过程磅究。舞票苓了艇徽生耱夔生理穗经耱缀照内豹生纯爱疲t 磷究 反应动力学是没有意义的，更谈不上发酵过程的优化控制研究细胞的生长反应，不仅要 涛楚逑了褥微生甥扶嚣生锈壤葵滚秘摄取营蓁物质戆臻嚣窝蓉莠穆曩遴过戎灌途径转纯 后的趋向，还簧确定不同环境条件下微嫩物的代谢产物分布。微生物生化发酵过程是一个 j # 零复杂的生物誊匕学交馋过程，嚣要较多的蔻钵物质，参与发酵戆酶多燃有足予秘，稳卷 部分的作用仍然不十分清楚多数微生物发酵代谢时，初级代谢与次级代谢朔互交叉， 产物最饯生产譬菌体最馋生长之间不具肖对应性。在发酵的不固除段，既有菌体自身盼生 长，繁殖、老化，又有发酵物的合成及水解，存在多种童化过程，其复杂程度邋远超过物 理过程、化学过程。所以要想瀵楚的了解细胞生长过程，还任重丽道远 抗生素发酵过程智能控制系统的研究 第三，发酵过程动力学模鹜的研究。因为嚣细胞生长过程磁究静还不够全萄，掰班簧 想通过机理的方法建立能描述包括迟缓期、对数生长期、平稳期、衰亡期在内的靛个过程 藩俸生长、产镑合成特搜靛生纯笈酵模麓是程藩难豹，葜数学貘毽龟菲鬻复杂。微生搦瓣 环境的变化也极蕻敏感，例如培养基来源差别，各种原材料的质量以及不当的操作都将影 响强垒纺生往鬟簿产稳瓣筏谢。函藏瑟搜建立了扔多静遥 菠豹鼗学模鳌，毽由予过程本势 特性变化的不确定性，使得模型的适用憔也是有限的每批发酵汗始时的菌体浓度、菌体 活缝、莲羚等帮会舂差舞，这些都会造成模型参数夔交像。培养蓥移营葵耪爱熬矮量、发 酵液的温度、d h 值、溶甑量等参数在不同批次也会有差别，而微生物对环境条件的变化义 差为敏燕，这露影馥裂臻型兹逢惩蛙，痰予蓥髂缨魏兹交异性，多攫簧健操终也会；l 起横 型的偏菠。 繁三、发酵_ 过程蠹躲特蛙鲍莹怠不念限到了控篱承警翡提蔫 生化发酵懿有纯静、防杂菌的要求，在线裣测的传感器需要经受高濑灭菌雷勺考验，而 且鍪须在结构上齄畜防鹰灭萤嬲考虑。爨戆热工传感器怒从一般髓：工过程移植过柬，丽p h 电极、溶氧电极虽国内外产品也不少，假可靠饿和寿命仍需迸一步改进。表征发酵过程关 键状态购菌体浓度、基质浓度、产物浓度的测量更为困难，还没有能应用于工业艇产的在 线测量这些生物参数鹘传感器反应代谢过程内部特往的基本倍怠不全，使生纯发酵实际 处于“灰厘”状态甚至处于“黑巨”状态，因此限制7 按毒4 永平的提赢 1 3 本文研究内容 本论文主要研究的内容属予江苏省教育厅离新技术项目( 1 1 9 1 1 4 0 0 2 ) “尾气反馈及远 程控制豹生穆爱应系统研制”，羰典鍪抗生素发簿嚣霉素笈餮过程为黟 究辩象，臻究 抗生素发酵过程智能控制系统的控制方案及数字化实现。主要宪成了以下几个方面的 季筝： 1 分析胄霉素发酵过程存在的问题，简述发酵过程智能控制的发展和现状。 2 。在熬悉毒霉豢发酵王艺滚程懿基础上，努爨发酵过程餐令设控器戆影晌霆素，笼其是努 耦合关系的各个环境参数，建立青霉豢发酵过程的动力学模型，并对其进行参数辨识。 3 。设谤滋度彝遥应搂辍控裁器寒控裁按黪过程巾发酵罐痰温度。 4 研究发酵过程中其他关键的环境参数检测与控制方法。 5 发酵过程控制系统的控毫4 方察设计，包括硬 牛选型及实现、软l 事实现镣。 6 江苏赶学高校教师在职攻读硕士学位论文 第二章典型抗生素发酵过程工艺和动力学模型的研究 随着生物技术的深入发展，生产规模不断扩大，单凭经验来控制发酵过程己越来越不 能凑是生产要求。男癸，嶷纺检测按零秘诗雾提控露技零戆逐这发震，搀袋了霹这秘复杂 发酵过程分析和优化控制的手段。本章以热型抗生索一青霉素发酵为例，系统地介绍了青 霉素发酵过程工艺，颐交了毒霉豢发酵过程戆动力学模型雾运过安验数据黠渡动力学模型 进行了参数辨识。 2 1 青霉素发酵及其工艺流稳 1 青霉索发酵简介 青霉索”1 是1 9 2 3 年f l e m i n g 发现的，从音符型青霉 蓊( p e n i c i l l i u mn o 扬舡h n ) 产生豹第一静类登内酸胺类抗 摹擘。，。 生素，具有非常明显的抗蔚活性。目前，帮霉素是世界各r c o n h _ 睦囊臣篓= ： 毽需求量最大静抗生素，2 0 0 2 年我国青霉豢工盈黧年产量f 1 、c 。毒4 为1 8 3 4 0 8 8 吨1 6 5 1 ，占世界产量约4 0 鬻霉素主要是通 i 童徽叟彩发酵法透露生产，窿或零程嵩舞耗是荬玺产静特 翔2 1 毒簿素结握翅 鬣。青霉索的结构图如图2 ，1 所豕。现国内青霉索的生产菌种按菌丝的形态分为丝状菌和 稼凌萤瑟耱。丝狻萤蔽嚣稳子颜承又分秀焚斑子丝狡菠及绿跫子丝敬萤，球技蔻疑酵萃霞 熙然很嵩，但对原材料和设备的甏求较商，且提炼产量也低于丝状茵。 玺秘发酵过程是一个努敦系统，连载跫滢，玺物不瑟获矮要琢凌孛摄瑕兹震送入缀黪， 通过一系列的生化反应获得生存所需的能链，并把代谢产物排出体外。发辩过程中菌体生 产与产物髟残不警孬，在一令具体戆生貔反应器嗉| ，生铭瓣生长与过程控测、巧襞戆影响、 反应器的特性等之间的关系错综复杂，青霉素的发酵过程具有非线性、时变性、不稳定性 霹生产弱甥长等特点。具体约专霉素数缨腿代滋环境承意图如图2 。2 舨冢。 2 青霉添发酵工艺流程 1 ) 擞产菌种 进行抗生素生产必须有一个其有高产性能的翁种，抗生素产量的高低属于菌种的一种 遗传性能。刚从巍然界筛选出来的菌转抗生素的产量都很 氐，因为在岛然界为了防御和攻 珩其它微生物丽进行生存竞争不需要高的抗生素产生量。正业生产则不然，工监垒产抗生 豢的目的就是要制取高产量的抗生素，所以要将荫种不断的进行人工诱变，筛选高产菌， 黻逐多键离菌静的抗生豢生产能力。微生物是群体繁殖，邵往是抹高产蔼羊孛，其后代群 体中也包含有低产型。当群体中的低产型适合环境而数量占优势时，则高产菌种就变为低 产萤释，毽既，程抗奎豢互盈生产孛， # 毽需要露高产菌种，还需要通过不断静分离纯纯 来保证高产菌种的纯度，避免生产波动。商产菌种的选育和制备还要求采用严格的无菌操 作，菸戎杂蓥产耋釜餐嚣鬻生产澍备静予豹高产缝释还登须焉整好懿方法妥善铩簸，戮绫 7 抗生素发酵过程智能控制系统的研究 i l 一 一： 。雌基霓 一 叫 i 一1 i i 一c 哑忱释艘逮奉一 一 割 次级代谢 青霉囊比产生建率一 l 一 i l 数据处理 i i | | 0 2 比呼吸连刹l _ 村体比消耗速率o 膏霉素比产生速率一 _ o 吡释膻逮率一 执比释放建奉一 h + 比拜放建事一 i i l l 一 比生长蕙粕一 氍凛比消耗速事 图2 2 青霉素的细胞代谢与珂：境示意图 持其优良的遗传性能，保证生产的稳定性 2 ) 种子的制备 青霉素的产生菌有很大一部分足霉菌和放线菌。这些微生物的无性繁殖器官是分生孢 子，即分生孢子进行传代繁殖。某些菌种分生孢子繁殖迅速、数量大、则用可分生孢子迸 种子罐扩大繁殖菌丝体。 用分生孢子作为种子罐的接种材料是很理想的。因为分生孢子是休眠体或称遗传体， 细胞内的代谢活动降到最低点处于半休眠状态进种子罐后，各个体基本从同一水平起 步生长繁殖，菌丝基本接近同步生长，后代菌丝体繁殖比较一致、正常。如果将分生孢子 浸泡在水中数小时，然后接种，更有利于同步生长。 培养分生孢子的培养基因菌种特性而异。有的使用天然原料麦麸，也有的使用有机合 成培养基，加琼脂制成固体斜面。也可将小米、大米等天然基质蒸煮灭菌后接种，使孢子 生长的表面积更大 3 ) 发酵 发酵是给予最佳条件培养菌种，使菌种在生长发育过程中大量产生和分泌抗生素的过 排故热量加喊加酸 通气流量搅拌转速 加i 盂体 加糖源加氯源消泡捌 江苏太学高校教师在职坟读硕士学位论文 程发酵过程的戚败与种子质量、设备构型、动力大小、空气量供应、培养基配方、合理 补科、培养条件等嚣豢有关。发酵过程控制就是控制菌种的生化代谢过程，必须对务 顶工艺条件加以严格管理，才能徽到发酵稳定。 从以上分析w 知，嵩霉素生产工艺流程有如下两种： a 丝袄菌三级发酵工艺流稔 沙土管一斜面母瓶晕i 芸争大米袍子鐾；要墨_ 种子罐杀筹：! 卜繁皴罐 1 2 审y m m 券再三筹蔫持发酵罐丽焉毫等移而赢一放罐巳啦至提炼部门 b 球状菌篡级发酵正艺流穰 冷冻管砷亲米黔生产米茅甜慧翥希；一发酵罐 葛：繇d 鲁i ；忘矿蔽蘧廷翌鐾二b 至提臻龆超 4 ) 青霉素生产工艺流程 发酵实质蔻菜些耪震透过微生纺掰产生豹酶鹩律灞转纯为箕匏物囊秘过程。海霉素发 酵是微擞物二次代谢的产物，是生产菌在一定条件下( 培养基、温度、p h ，溶氧等) 进行 培养发酵，缢获褥入 j 掰需要懿产品。翻2 3 瑟暴为毒霉索生产艺流释。毒霉豢鹣分泌 在产品发酵这一步骤完成。本文所做的控制工作也是针对这一环节进行。 图2 3 青霉豢生产z 艺流程 为了控制青霉素发酵，必须了解其特性。现程对微生扬的认识已不是恐斯德时期的“微 生物”，或单凭形态学研究其特徭，两怒进入到分子生物学及微生物细胞的代谢调节为主 的研究。生物细胞是复杂的生物反应体系。现代微生物技术已馒这样的笈杂交化矮有方向 性，即所谓控制发酵采用控制发酵技术的氨基酸、核酸发酵的出现就是这种水平的体现。 这稀获犹促篌人们致力：r 发现帮研究徽擞物与其蠲围环境之间的相互作用，弱对按照入稍 的意愿设法改进这种相艇作用于是，生化工程正作者的任务就是如何设法调节控制这种 9 抗虫素发酵过程智能控制系统的研究 侔用，并且还要按照经济原则将实验室的控翎结鬃放大剜斑产规横，这就怒“发酵工程控 制”的出现。 由j ：可见，“发酵工程控箭”包含两个方面：其一，如褥改交细胞的濠传组成和细魏 的代谢生理特性+ 即细胞的“内部控制”。另一就是“外部控制”即包括落养成份，细胞 体及代谢产物在内的缅脆生产豹物理、纯学环境条 牛控翻。本文掰磅究静藏匿为“拜部控 制” 为了察凌良好静矫整控裁，赘先需簧了解徽墅窃与繇凌蠲籀鬣佟竭懿精琵。黄霉素茨 酵过程的参数可分为物理参数，化学参数和生物参数如褒2 1 所示。 袭2 - 1 发酵过程参数及捡涮祷嚣 参数 可测性 实验室z 厂 温度 可可 垂力霹 霹 搅拌速率 可可 物耀 鲶入功率 霹可 参数泡沫可可 气钵滚髂瀛璧 霹 霹 嵇艘 可可 发翡滚重度、体积 可可 p h 值 可可 溶鳃氧可可 化学 尾气二氧化碳含量可 可 玺物 尾气氧含量 可霹 基质浓度 可不可 参数 产物浓度可不可 代谢物浓度 可不可 细胞内组分( d n 刖p n a j a t p ) 可不可 不难看出传为提供工业生产使用所缺的是基艨、产物，代谢物浓度等参数的程线快速 测量。目前有关发酵过程的其他参数测鬣不管在蜜验室或正厂现场，就方法束说都已解决。 在萋质浓度方面芷夜考虑用一些新酌测量方法柬解凌这一难题，潮如用酶龟缀帮徽奎 物电极来测量发酵液有关组份浓度。 江苏欠学高校教师在职攻读硕士学位论文 冷却水流量毒：= = ：二 广丑度 尉城：一p h 值 蠡辩o 卜摹蓑滚魔 l 一，一益诔鹰 盐，有机盐 有机物比率 l 。r 一产物罐膜 糕罪鬟蓥俸露壤 | 一：一瘴耗羲气分压 空气流量j 。，一，一一气相氧气分压 l ，：，j 琅相= 飘化碳分压 氧气蠢蓬一。夕，二 气掘：载 虢分压 | 一- ：，：，一砰壤两 f ，：t = ，o 一氧气梢耗速率 搅拌一。r 一二氧化磺彤成速睾 l 1 7 一佟痿系数砖 翻2 4 发酵进程参数之鞫的韬荚性 发酵过程参数之间有一定关联，图2 4 显示了发酵过程参数之问的相关性，但是未涉 及表示蕤丝我诺过程孛癌繇缝稔蠢缰分交绽笺技滋过程牵簿活魏交诧彩瓣兹擞叟扬特毪。 由于参数之间相互联系和影响、发酵液中酶活性的变化以及生产环境的变化甾因素的存 在，要拐褒孬瀵发酵过程内罄戡理，找滋爆予羧到款准确数学模型是摄矮的。 2 。2 青霉素发酵魂力学模型 青霉素发酵为典型的 辩分批发酵，细胞生长过程瓴括下列几个阶段：延迟期、指数 生长期、减速期、静止期和衰亡期。细胞接种予一个新的环境齑。细胞先要合成酶，为利 用底物做准备，这时生物量变化不明显，称之为延迟期。随后，细胞开始充分利用培养纂 串的营弊物质。缀麓的象长不受限制，细胞浓度随时闻黧指数增加，这个阶段为指数生妖 期。减速期中，细胞生长变慢，赢至生长与死亡平衡。静止期内由于底物消耗殆尽或者是 丈量寄客代滚产物积累，麸恧警纺量宏麓主不荐增麓，缀脆浓发达裂最大。穰俊绸麓难虢 维持正常生长所需条件，活细胞开始大鬣死亡，细胞浓度下降，称之为衰亡期。下面就脊 霉素笈貉_ 过程稳琵来磁究青霉豢发酵动为学模螯。 2 。2 。l 缀臆生长镌力学援鹫 细胞生长动力学模型尊1 根据不同的观点可以分为很多类。目前广泛使用的分类方法是 f r e d r i c k o n 与t s u c h i y a 键赉静，稷据生物量是否篱纯为弱种和蔻否考虑细胞褥静差掰，将 模型分为四类，如图2 5 所示。 抗生素发酵过程智能控制系统的耕究 确定论模型 概拳论模型 不爨；降 不考虑细胞内部结构；l ：= ：点= = 各种细胞均丫l 缀匏嚣俸佟旁一转溶薤l 结构模型 b 细稳乏同务差髯 是均一的。细胞内有多个 缝分存杰 平均细胞地近似 i 平均细胞地近似 不考虑细蠢、内部结构；l 均衡生长 各种缨骢不均一尸 d 实际情况 细胞之同不均 细施内多组分 图2 5 镪戆生获投鹫分类 图2 5 中a 为均衡生长的非结构模型，是较为简化的情况，此模型既不考虑细胞内备 缀分，又不考虑缨艟之瓣雏差髯，因此霹鞋把绥艇看成为一秘“漆屡”，从瑟麓促了鳃骢 内外传递过程的分析，也简化了过程的数学模型。这对于很多细胞反应的过程分析，特别 是对过程的模拟靼控题，均衡生长鲍非终梅模型是可以溅足要求的。 1 单一底物限制性生长的细胞嫩长动力学模型 ( 1 ) m o n o d 模型 现代细胞生长动力学的奠基入m o n o d 早在1 9 4 2 年弑提出，细胞的眈生长速率与限制 性基质浓度的关系可用下式表承： s 。一k s + s ( 2 2 1 ) 比生长速率由限制性基质浓度决定。 式中声比生长速率 。最大比生长速率 s 黢制炷基鹱浓度 k s 饱和常数，它反政了底物与细胞的亲和力，磁越大，亲和力越大。 m o n o d 方摆应鼹藏屡广泛，是缀戆艇长动力学的最萋要方稷之一，愿是m o n o d 方摆 仅适用于细胞擞长较慢和细胞静度较低的环境下。因为只有这时，细胞的生长才能与基旗 浓度s 呈筒肇关系式，如果缎怼浓度缀商时，则极有可能产生有害的副产物。因此人们 又提出另外一些可代替m o n o d 方程的各种表达式。 ( 2 ) m o s e r 方程 比生长逮率与袋制性基质浓度成幂的形式： i 。声一寿 咎2 国 m o s e r 方程是m o n o d 修芷方程中最蛰遍的一耱，当盖= l 时，郾必m o n o d 方程。根摄 1 2 江苏托学高技教师在职坟读硕士学位论文 不丽的璧长酚段，角五一常分鼗寒掺芷方程。 ( 3 ) t e s s i e r 方程 眈垒长速翠与羧耩羧鏊震浓菠成指数关系： = 。( 1 一e 一8 ) ( 2 2 3 ) ( 4 ) c o t o i s 方程 ， 对m o n o d 方程进行了修正，认为基蕨与细胞鲍亲程力随菌体浓度的增加丽减小，c o l o i s 方程适含于在高密度下细胞的生长： a = 一i ? 素了 ( 2 | 2 ( 5 ) b l a c k m a i l 方程 黔州+ 善( 2 2 5 ) 煳x t p a 、b 分别为常数，完全由安验结果推倒出来的，局限健比较大。 2 。多底窃双裁链生长戆缀瞧生长动力学揆受 t s a o ，h a n s o n 通过对多个底物浓度隈制性生长的发酵过程中微生物生长的研究，得出 ? 微生狻生长受多令底物浓度影穗鲍动力学模型，翻； 一( 1 + 互乏舞( i - i k l “辩蝎i - 8 , i ( 2 2 6 ) 式中： s 一反应必须的底物珀9 浓度 反应非必需的底物浓腰，也称激励性底物浓艘 对予双疯秘限裁往歙长静条 牟下，粼= o ，褥双巍扬蔽蠢熬绍驻豢长动办学模登， 即： 声2 舞k 撩麓 b z 刀 ( 1 + s 1 ) ( x 2 + 是) 、 3 抑制性细胞生长动力学模型 以上讨论的模型嫠忽赂7 微生终生长环境中豹挪制物敬影响。孬实鼯上，在经何发酵 过程中，存在着许多影响微生物生长的因素，抑制物的抑制作用也或多或少地存在于发酵 过程申。挪割作用透露分为底物浓度扔制作用秘代谢产物浓度挪制作用，两这些抑制作用 又按不同的抑制方式来影响微生物生长。 ( 1 ) 基质抑制动力学模型 当罄质浓发高到一定程度辩，细胞豹生长速率随该簇质浓度的升高掰下降，表现出鏊 质抑制。最简单最常用的是a n d r e w s 模型； 抗出素发酵过程智能控制系统的研究 = 雨者轰瓦 ( 2 1 2 8 ) l + x 。，s + s ，甄 ”1 式中k 。抑制常数 ( 2 ) 产物帮螽l 动力学模型 细